针对医学图像分割中网络深度过深和上下文信息欠缺导致的分割精度降低等问题,提出了一种基于改进U-Net的磁共振成像(MRI)脑肿瘤图像分割算法。该算法通过嵌套残差模块和密集跳跃连接组成一种深度监督网络模型。为了减小编码路径和解码路径特征图之间的语义差距,将U-Net中的跳跃连接改为多类型的密集跳跃连接;为了解决网络过深导致的退化问题,加入残差模块,以防止网络梯度消失。实验结果表明,本算法分割肿瘤整体、肿瘤核心、增强肿瘤的Dice系数分别为0.88、0.84、0.80,满足临床应用的需求。

利用有限元(Finite element method, FEM)方法系统研究Au-ITO-Ag对称性破缺三层纳米核壳二聚体的近场增强特性, 并采用等离激元杂化理论对其局域表面等离子体共振(Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR)特性进行解释。研究结果表明, 对称性破缺三层纳米核壳二聚体光谱中等离子体共振峰峰位对Au内核半径的变化极为敏感; 对称性破缺三层核壳纳米颗粒的电场主要分布在纳米核壳二聚体的表面上, Ag外壳纳米杯缺口部分的电场强度最为突出, 其高度可调节的光学特性为提高生物传感技术提供了坚实的理论基础。

准确及时的检测原油含水率对注水策略调整、 原油开采能力评估、 油井开发寿命预测等均具有重要意义。 然而, 当前我国大多数油田均已进入高含水的开发中晚期, 含水率测量难度大且准确率不高。 在此背景下, 开展了高含水情况下利用近红外光谱进行原油含水率测量的研究。 首先介绍了目前原油含水率检测的常用方法, 分析了它们的优劣。 理论上, 由于水的近红外光吸收带与原油中C—H键的吸收带有明显区别, 根据Lambert-Beer吸收定律和吸光度线性叠加定律可知, 不同含水率高含水原油近红外光谱会存在较强响应差异。 为此, 对高含水原油进行近红外光谱检测, 建立原油含水率与近红外光谱响应间的非线性映射模型, 可实现高含水原油含水率的精确测量。 为了验证该方法的有效性, 搭建了近红外光谱数据采集实验装置: 采用白炽灯作为光源, 经过光路调节成平行光后垂直射入样品池, 用近红外光谱仪(海洋光学NIR512)采集光谱用于分析。 其中, 接收光谱仪带宽为900～1 700 nm, 平均分成512个波段。 光谱数据利用光谱仪配套软件储存在电脑中。 样本采用相同厚度不同比例的油水混合物, 样本含水率范围为70%～99%, 共采集数据60组, 每组重复3次取平均值。 得到原始数据后, 先进行原始数据预处理, 以减少数据采集时来自高频随机噪音及温度不稳定、 样本不均匀、 基线漂移、 光散射等不利因素的影响。 分别选用了S-G滤波、 一阶导数和S-G滤波+一阶导数作为数据预处理的方法, 利用连续投影算法(SPA)对光谱数据进行降维, 并利用偏最小二乘法(PLS)和多元线性回归(MLR)进行建模, 模型精度通过计算均方根误差值(RMSE)和相关系数(r)来验证。 对比发现, 使用S-G滤波+一阶导数建立的模型RMSE值最小(RMSE=0.007 0, r=0.998 3)。 使用SPA降维后的模型要优于全波段PLS模型(RMSE=0.083 3, r=0.920 6)与MLR模型(RMSE=0.099 9, r=0.967 1)。 利用SPA提取出的31个特征波长建立的模型仅占全波段的6.05%, 并获得了较好的精度。 证明了利用光谱检测高含水原油含水率可行性, 并且得到了满意的精度, 为高含水原油的含水率检测提供了新的方法, 为进一步利用近红外光进行高含水原油的快速检测与在线监测提供参考。

以硅十字架二聚体纳米天线为研究对象,采用有限元法(FEM)系统研究其远场单向散射特性,利用多极分解的方法对其散射特性进行解释。通过分析纳米天线中不同共振模式的响应对散射特性的影响,发现这些共振模式的耦合作用导致了高介电材料硅十字架二聚体结构磁热点的产生和远场单向性散射,为实现远场单向性可控的纳米天线提供了坚实的理论基础。

设计了一种双对称性破缺Au-TiO2-Ag三层纳米杯结构,采用有限元方法分析了其局域表面等离子体共振(Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR)特性,并采用等离激元杂化理论对LSPR现象进行理论分析。分别仿真了入射光偏振态、核壳结构参数和外界介质折射率对Au-TiO2-Ag三层纳米杯消光光谱的影响。研究结果表明,当入射光偏振方向垂直于对称轴方向时,可将反对称横向耦合模式ω-⊥〉1的共振峰波长调谐至近红外区域1100 nm附近,同时该模式共振波长随外界介质折射率的增大产生红移,这一特性可在生物传感领域得到广泛的应用。

设计了一种基于光纤布拉格光栅(FBG)的弯曲靶式流量传感器, 采用COMSOL软件仿真了弯曲靶臂受力时的应变分布规律, 并将两支FBGs分别粘贴于靶臂的外侧和内侧进行应力测试, 仿真与实验结果表明在外力作用下靶臂外侧和内侧分别产生拉应变和压应变, FBGs反射中心波长产生红移和蓝移。同时, 测试了该结构的温度特性, 在20 ℃~40 ℃两支FBGs反射中心波长均与温度呈线性关系, 从而可消除温度对测量结果的影响。随后搭建了弯曲靶式FBG流量传感器测量装置, 在0~800 L/H范围内的测量结果表明, 两支FBGs反射中心波长与水流量呈较好的线性关系, 其流量灵敏度为48 L/H。

采用离散偶极近似(Discrete Dipole Approximation,DDA)方法考察核壳比和外界介质折射率对ITO/Au、CdS/Au、Nb-Sn/Au纳米核壳粒子表面等离子体共振消光特性的影响,并利用杂化理论对其物理本质解释。仿真结果表明,ITO/Au和CdS/Au纳米核壳的ω－模式对应的共振峰峰位随核壳比的增加逐渐红移,而Nb-Sn/Au纳米核壳对应的共振峰峰位随核壳比的增加逐渐蓝移；ω+模式对应的四极共振峰峰位随核壳比的增大缓慢蓝移；集中在金壳两极点的振荡电荷对核壳球模式和腔模式的耦合作用以及电场分布有显著影响；相同尺寸纳米核壳的消光能力由强到弱依次是ITO/Au、Nb-Sn/Au、CdS/Au。

研究了线性和二次电光效应共存的双光子光折变介质中沿同一直线传播的两空间光孤子间的相干耦合现象, 从理论上证实了在适当的条件下相干耦合的亮-亮和暗-暗孤子对的存在。结果表明, 这些相干耦合孤子对的形成、性质和传输规律依赖于介质内线性和二次电光效应间的相互作用(即相互增强、减弱甚至抵消)。详细分析了两相干入射光的初始相位差、强度比和外加电场等三个方面对相干耦合孤子对宽度及亮-亮孤子对的自转向过程的影响, 为相干耦合孤子对在实际中的应用奠定理论基础。

利用离散偶极近似(Discrete Dipole Approximation,DDA)方法系统研究ITO/Ag、CdS/Ag、和ZnS/Ag纳米核壳结构的消光特性。研究结果表明,银纳米核壳的表面等离子体共振吸收峰位置随周围介质折射率和颗粒核壳比的增大逐渐红移;且当核壳比相同时,较大球径纳米核壳的消光峰位置处在长波长处。研究亦发现,银壳与化合物之间存在显著的电子迁移现象,相同球径的银表面电子密度降低程度由高到低为CdS/Ag、ZnS/Ag、ITO/Ag。